TW201712243A - 軸承系統及裝配有軸承系統之移動平台系統 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種軸承系統，其係具有改變負載力功能及可於一滑軌上進行精密運動。軸承系統包含一軸承本體、一流體、一軸承封件以及一加壓裝置。軸承本體包含一液壓腔，其一開口面對滑軌之表面。流體填充於液壓腔，且流體於開口處接觸滑軌之表面。軸承封件與滑軌之表面接觸，且將軸承本體與滑軌之表面間的間隙密封，以使流體侷限於液壓腔內，並使流體自液壓腔洩漏之洩漏量限制於一預設之最小程度。加壓裝置透過一微通道對流體加壓，且流體承載軸承系統之大部份負載。藉此，本發明之軸承系統能同時達到精密作動及維持精簡架構。

Description

軸承系統及裝配有軸承系統之移動平台系 統
本發明係關於一種軸承系統及裝配有軸承系統之移動平台系統；更特別言之，本發明係關於一種液靜壓軸承系統，其具有緊湊體積、精簡架構及低製造成本。
現行的液靜壓軸承系統大致具有：(1)構造過於複雜；(2)系統造價昂貴；以及(3)油溫隨高速移動而增加之缺失。上述複雜構造將使油供應系統構造趨於複雜化，致使此等油供應系統須裝設包括幫浦、馬達、壓腔、油槽、油濾心、閥門、控制器、管路、流量調節器以及油溫控制系統等各種以便維持循環油之壓力及溫度，而使造價過於高昂。此外，供油通過之間隙相當微小。當整體平台於高速移動下，薄層油產生之剪切應力(shear stress)相當大(黏性流體剪切應力F/A=μ U/h)，導致因摩擦而產生熱。而一般而言，油之黏滯性(viscosity)對溫度變化相當敏感。黏滯性變化將造成流阻(flow resistance)於通過區(land area)的變化，而導致油壓腔內壓力或溫度的偏差。此造成一般使用液靜壓的平台通常其移 動速度無法超過2m/sec(可參考：Slocum,A.H.,Precision Machine Design,Prentice Hall,New Jersey,1992,Chapter 9)。
於現今軸承技術中，滑動軸承(sliding contact bearing)時常與液壓(hydraulic)或氣壓(pneumatic)軸承整合使用而作為一支承桿軸承(backup bearing)。而在使用滑動軸承作為主要承載負載用的機械平台中，空氣或油通常被用以釋放負載及減少阻力以便達到快速移動定位。此意味多個腔體將被使用。例如，使用一主要腔體用於填充受壓流體，以便承載整體機台重量而預先載入軸承；另一較小之腔體則用於相對側以便釋放相對的預載力(可參考：Slocum,A.H.,Ibid,Chapter 8,Section 8.2.1,sub-section "Preload")。然而，此等配置方式並未被詳細說明。雖是如此，可推測其所使用之空氣或油軸承與習知液靜壓(或氣壓)軸承系統類似，需藉幫浦持續對流過間隙之流體進行運作。
一簡易型態之封閉式液靜壓軸承系統被揭示於Trinh and Sullivan(US Pat.Serial No.7621346)中。於頸軸承或平面軸承中，通道或圓形之槽被製作於接觸面以便輔助滑動軸承或液動壓軸承。然而，上述封閉式液靜壓軸承系統僅提供部分的負載釋放及降低摩擦功能，其無法提供高的負載力及精密移動，此外，其亦無法主動依據負載狀況調節壓力。
本發明係提供一新式軸承系統，其係屬於液靜壓軸承系統(hydrostatic bearing system)，並建置有封閉式油壓腔。藉此，本發明之軸承系統可具有精簡之架構、緊湊之體積以及低建置成本，用以減少目前液壓軸承系統中，供油機構及處理系統過於複雜之問題。
於一實施例中，本發明提供一種軸承系統，其係具有改變負載力功能及可於一滑軌上進行精密運動。軸承系統包含一軸承本體、一流體、一軸承封件以及一加壓裝置。軸承本體包含一液壓腔，液壓腔之一開口面對滑軌之一表面。流體填充於液壓腔，且流體於液壓腔之開口處接觸滑軌之表面。軸承封件與滑軌之表面接觸，且將軸承本體與前述滑軌之表面間的間隙密封，以使流體侷限於液壓腔內，並使流體自液壓腔洩漏之洩漏量限制於一預設之最小程度。加壓裝置透過一微通道對流體加壓，受壓之流體承載軸承系統之大部份負載。
上述之軸承系統中，可進一步包含一壓力調節裝置。壓力調節裝置將流體所受之壓力維持於一預設範圍，以維持軸承系統之負載於一定範圍。
上述之軸承系統中，加壓裝置可包含具細小直徑之一活塞機構，活塞機構可由一電力致動器驅動。加壓裝置亦包含一膜片彈簧以及一推桿機構。推桿機構並由一電力致動器驅動。
上述之軸承系統中，軸承封件包含一耦合機構，耦合機構與軸承本體連結，令軸承封件與軸承本體間形成相對位移。
上述之軸承系統中，軸承本體包含複數液壓腔， 各液壓腔之一開口面對滑軌之一表面。各液壓腔分別填充一流體，各流體並於開口處接觸滑軌之表面。複數軸承封件，各軸承封件與滑軌之表面接觸、且將軸承本體與滑軌之表面間的間隙密封，以使流體侷限於各液壓腔內，並使流體自液壓腔洩漏之洩漏量限制於一預設之最小程度。複數加壓裝置，各加壓裝置透過各自對應之一微通道對各流體加壓，各流體承載軸承系統所之大部份負載。各液壓腔包含一高壓區域及一低壓區域，軸承系統另包含一幫浦系統，幫浦系統用以將各流體由低壓區域循環回流至高壓區域。
透過上述，本發明之軸承系統不僅具精簡架構及緊湊之體積，更可於同一時間內調控壓力及負載力，且可提供精密之位移。
於另一實施例中，本發明提供一移動平台系統，其係具有改變負載力功能及可精密運作。移動平台系統包含一滑軌及一平台，其包含多個於滑軌上滑動之軸承系統，各軸承系統包含一軸承本體、一流體、一軸承封件以及一加壓裝置。軸承本體包含一液壓腔，液壓腔之一開口面對滑軌之一表面。流體填充於液壓腔，流體於開口處接觸滑軌之表面。軸承封件與滑軌之表面接觸，且將軸承本體與滑軌之表面間的間隙密封，以使流體侷限於液壓腔內，並使流體自液壓腔洩漏之洩漏量限制於一預設之最小程度。加壓裝置透過一微通道對流體加壓，流體承載軸承系統之大部份負載。
上述移動平台系統中，滑軌可使用一拋光石英磚或一上釉石英磚。移動平台系統可另包含一驅動控制系統，驅動控制系統控制及驅動各軸承系統之各加壓裝置，以便微調移 動平台於多自由度下之位移及方向。
藉由上述，本發明同時整合軸承系統及加壓裝置於一移動平台系統。藉此，可以微米尺度調整平台於滑軌上移動之多自由度下之位移及方向。藉此，可補償負載變異及維持定位精密度。
1、1A、1B‧‧‧滑軌
10‧‧‧循環幫浦系統
11‧‧‧流體
19‧‧‧間隙
2‧‧‧軸承本體
20‧‧‧平台
3、3E、3F‧‧‧液壓腔
4、4E、4F‧‧‧軸承封件
401-408‧‧‧軸承系統
5、83‧‧‧彈簧
5A‧‧‧薄膜彈簧
500‧‧‧驅動控制系統
501‧‧‧電路線
6‧‧‧O型環
7、7A‧‧‧加壓裝置
71、81‧‧‧微通道
72、82‧‧‧活塞
73‧‧‧致動器
8‧‧‧壓力調節裝置
74‧‧‧模封件
75‧‧‧推桿機構
Ai‧‧‧推動軸承封件向滑軌之作用面積
Ao‧‧‧推動軸承封件遠離滑軌之作用面積
At‧‧‧用以產生向上負載力的液壓作用總面積
Ap‧‧‧微通道之截面積
第1圖係繪示本發明中之軸承系統之基本運作機制之示意圖；第2圖係繪示本發明中之軸承系統之第一實施例示意圖；第3圖係繪示本發明中之軸承系統之第二實施例示意圖；第4圖係繪示本發明中之軸承系統之第三實施例示意圖，其裝設有多層液壓腔；第5圖係繪示本發明中之移動平台系統裝設有多個軸承系統之示意圖；以及第6圖係繪示本發明中之移動平台系統裝設有多個軸承系統之立體圖。
以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要 的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
請參照第1圖，其係繪示本發明中之軸承系統之基本運作機制之示意圖。首先需述及本發明之軸承系統係屬於一液靜壓軸承系統(hydrostatic bearing system)的改良，並且，本發明之軸承系統設置有封閉式油壓腔。於第1圖所展示的半剖面中，受壓之一流體11被填充於一液壓腔3內，而液壓腔3位於一軸承本體2以及一滑軌1間以便承載負載。與習知液靜壓軸承系統不同的是，本發明使用一軸承封件4用以封堵軸承本體2與滑軌1表面間之間隙19，將受壓流體侷限於液壓腔3內，並限制受壓之流體11自前述滑軌1表面與軸承封件4接觸面的洩漏量於一預設之最小程度。此最小洩漏量取決於接觸面之幾何特徵及固體對固體間壓力，可由實驗決定。又一小型加壓裝置7，經由一微通道71對受壓流體11加壓以便形成所需負載力。藉由連通管原理，加壓裝置7只需施以小力，即可於微通道71內產生大壓力，此大壓力因連通管原理可在較大截面積的液壓腔3內產生大的承載力。軸承封件4與滑軌1之間之接觸為固體與固體間之接觸，此類似於習知滑動軸承。然而，本發明與習知滑動軸承差異，在於液壓腔3內的流體11承載了總負載力的大部分；軸承封件4僅承載了總負載力的部分。藉此，可達到遠較習知僅使用滑動軸承的平台少的負載力。軸承封件4與滑軌11間之壓力僅需足夠封堵受壓之流體11即可，其壓力值可遠低於液壓腔3中之壓力。藉此，亦可得到遠較習知僅使用滑動軸承的平台少的接觸摩擦。基於 上述，本發明之軸承系統可視為結合習知液靜壓(hydrostatic)軸承系統以及輕載之滑動軸承(sliding contact bearing)系統，但無複雜之流體循環回收系統。相較於習知之液靜壓(hydrostatic)軸承系統，本發明之軸承系統除使用了滑動接觸之軸承封件4外，更保有高精密度。舉例而言，已知應用於晶圓步進設備之滑動接觸軸承系統，可以達到次微米之精密度(可參考Slocum,A.H.,Precision Machine Design,Prentice Hall,New Jersey,1992,Chapter 8)。
本發明之液壓軸承系統，可進一步包含一壓力調節裝置8，將受壓之流體11所受之壓力維持於一預設範圍，以維持所述液壓軸承系統負載於一定範圍。
請參照第2圖。第2圖係繪示本發明中之軸承系統之第一實施例示意圖。第2圖中之軸承系統包含一軸承本體2，內設一液壓腔3。液壓腔3之一開口面對滑軌1之表面，其內填充有油(或是任何合適之液壓流體)。一軸承封件4，其係由液壓腔3之開口組裝至軸承本體2。一密封件，例如O型環6，用以密封軸承封件4之外側表面與液壓腔3內壁間之間隙19。軸承封件4之下邊緣係接觸滑軌1，進而形成密封作用，而形成一類似滑動接觸軸承。一致動器73推動微通道71中之活塞72以使液壓腔3之油受壓。藉由連通管原理，軸承系統之負載力FL與推動活塞72之推力Fp滿足：FL=P At；以及Fp=PAp，其中P為液壓腔3及微通道71中之壓力；At為用以產生向上負載力的液壓作用總面積；Ap為微通道71之截面積。舉例而言，若Ap=1mm2，則制動器73僅需提 供0.31kgw(3N)的力，而產生30bar之軸承壓力，此相當於習知液靜壓軸承可提供之液壓力。於此液壓力下，一具有10mm x 10mm面積之軸承系統可承載32kgw(313N)之負載力。
推動軸承封件4向滑軌1之力須大於推動軸承封件4遠離滑軌1之力以便對接觸面形成密封而避免液壓腔3中之油洩漏。因此，須滿足Fs+PAi≧0.5 PAo的條件；其中Fs為彈簧5之力；Ai為推動軸承封件4向滑軌1之作用面積；Ao為推動軸承封件4遠離滑軌1之作用面積；0.5P為接觸面之平均油壓(假設壓力為線性遞減)。由上述，可知當Ai=0.5 Ao，且彈簧5提供額外力Fs狀況下，整體軸承系統理論上為自我密封狀態。當Ai>0.5 Ao，整體系統之平衡被破壞，而產生額外之密封力。此液壓密封平衡原則與機械密封原則基本相同，常被使用於高壓流體幫浦之旋轉軸(參考：Handbook of Fluid Sealing,ed.by Brink,R.V.,McGraw Hill,New York,1993,Chapter 6)。
假若軸承系統之負載力FL承載了整體機械裝置(或平台20)大部分之負載，則軸承封件4對滑軌1表面所施之力(固體與固體接觸力)，僅來自於彈簧5之力及因面積差(Ai-0.5Ao)所形成之液壓力。於保持油封之狀況下，調整彈簧5之力及面積差可調整固體與固體接觸力，因此靜摩擦及動摩擦間之差異可被降至最低，藉此可降低黏滑現像(stick-slip phenomenon)。
軸承封件4可為一類似於機械表面密封(mechanical face seal)或為一模封(molder packing)型態。機械表面密封(mechanical face seal)之材質可為碳(carbon)、石墨烯(graphite)、樹酯(resin)或金屬陣列複合物。模封(molder packing)材質可為皮革(leather)、橡膠(rubber)、纖維(fiber)、增強橡膠(reinforced rubber)或有機材質(NBR或PTFE)。上述為流體密封常使用的材質。換句話說，一般於機械工具之滑動軸承使用之材質(如PTFE薄膜)及金屬部件(如黃銅鋼)，或者其餘工程材料例如(Acetron)或(Derlin)皆可被使用。
致動器73可使用具有力放大機構(例如：蝸輪)之壓電致動器或伺服馬達以便形成所需之力。對流體11加壓亦可以人工方式進行。
壓力調節裝置8可用於調整系統之剛性及阻尼(damping)特性。壓力調節裝置8之結構類似於加壓裝置7、7A，差異在於壓力調節裝置8使用彈簧83及間隙位移調整機構(圖未示)取代致動器73。壓力調節裝置8係用以透過微通道81調整活塞82之作用力及位移。壓力調節裝置8亦可以主動或被動方式透過類似致動器73增加其調節能力。於可能實施例中，一用以穩定流體11壓力之被動式之氣體補償腔(圖未示)亦可能被使用。
彈簧5係優選地用以處理操作之變異，但實際上非必要元件。若整體負載大而穩定，軸承本體2及軸承封件4可為一體，而透過壓力調節裝置8即可處理操作之變異。
請參照第3圖，第3圖係繪示本發明中之軸承系統之第二實施例示意圖。第3圖中，將第1圖中之彈簧5改為一薄膜彈簧5A，且薄膜彈簧5A係具密封效果而可取代O型環6。此外，於加壓裝置7A中，薄膜彈簧5A亦可取代模封件74。此時，一推桿機構75推動薄膜而達到加壓效果。
請參照第4圖，第4圖係繪示本發明中之軸承系統之第三實施例示意圖。第4圖中，係於軸承本體2上裝設有多層液壓腔3E、3F。換言之，液壓腔3E、3F具有共同中心壁面而使液壓腔3E、3F分置於兩具有共同中心之區域，各區域具有各自之軸承封件4E、4F。藉此，多層共同中心結構之環狀之液壓腔3E、3F及軸承封件4E、4F形成柵狀且各自分離之液壓腔3E、3F。液壓腔3E、3F各自之壓力亦可各自獨立形成。舉例而言，若中央位置之液壓腔3E之壓力為P，則環繞此中央液壓腔3E之液壓腔3F之壓力為P1，稍低於P。於鄰近液壓腔3F之次一液壓腔3F之壓力為P2。於此狀況下，二鄰近液壓腔3F間之壓力差可小於僅使用單一液壓腔時，藉此可使軸承封件4E、4F具有更好之密封力。
若論及於機械軸承系統中無可避免的流體洩漏現象，於一液壓軸承系統中，流體洩漏率之值通常小於流體循環率之值幾個數量級，此係因有效軸承間隙相當微小而導致流體具有微小流率之故。於此狀況下，可使用小型幫浦以加壓或循環補充油。由於流率相當微小之故，幫浦可足夠小，且可直接設置於平台上，且幫浦對整體機台之精密度的影響可被忽略。再者，由於軸承系統係固體對固體接觸，故流阻(flow resistance)亦相當小而可忽略其影響。相較於習知液壓軸承系統，此種小流率之循環補充油系統具有更精簡之架構。於第4圖中，即展示了此種小型之循環補充油系統，其使用小型之循環幫浦系統10，用以將各流體11由液壓腔3E、3F之低壓區域循環回流至高壓區域。
透過軸承封件4及軸承本體2間所設置之藕合機構，軸承封件4可具有相對軸承本體2的微小位移，此位移方向垂直滑軌1表面。上述之藕合機構，例如於第2圖或第3圖中所繪示之彈簧5、薄膜彈簧5A及O型環6。若使用不可壓縮之流體11，例如油或水時，因侷限於液壓腔3中之流體11具有固定體積，當活塞72或推桿機構75位置改變時，將導致流體體積擴張或收縮，可藉此調整軸承本體2及滑軌1表面間之間隙19，亦即，平台20於滑軌1上之垂直位置可調整。
為應用液壓軸承系統於一線性平台或旋轉平台，多墊型(multi-pad)軸承系統可被使用。於多墊型軸承系統中，多個相對之墊被分別置放於選取之適當位置，此類似於習知液壓系統。此多個墊之間彼此可相互連接或各自獨立。於此多個墊各自獨立之狀況下，各墊之壓力可透過使用壓電或小型伺服馬達為致動器，而被主動且單獨控制。藉此，可透過設置於軸承本體2及軸承封件4間之藕合機構，微調平台20於線性滑軌或旋轉滑軌上之多自由度之位移與方向。此對於補償負載變異及為值位置精確度相當有助益。而欲形成此等控制可透過”線性控制”為之，亦即，透過電子訊號進行控制。後續將說明細節。
請參照第5圖。第5圖係繪示本發明中之移動平台系統裝設有多個軸承系統401、402之示意圖。基於前述單獨控制之概念，軸承系統包含一滑軌1A及平台20。平台20設有複數個前述的軸承系統401、402。移動平台系統可進一步包含一驅動控制系統500，以電路線501控制及驅動各液壓軸承單元之加壓裝置，以微調平台20之多自由度之位移與座向。藉此，即使滑軌1A之平面度不佳，平台20仍能保持理想之位移與座向。
請參照第6圖。第6圖係繪示本發明中之移動平台系統裝設有多個軸承系統403-408之立體圖。於一較佳實施例中，本發明使用前述液靜壓軸承系統之移動平台中，設置有6個軸承系統403-408，各別獨立控制各軸承系統403-408壓力，使軸承系統得以乘載不均勻負荷以及應付偏擺情況。並且，於滑軌1B上之平台20之方向可以微米尺度進行調整。
為使軸承封件4與滑軌1B平面之接觸面有良好的密封性，兩者皆需有高平面度與表面光滑度。透過平面研磨可以達到此目的。但若滑軌1B長度較大時，研磨加工成本甚高。本發明使用建築業及室內裝潢所用之拋光石英磚或上釉石英磚，其表面光滑度及局部平面度皆能滿足本發明之需求，故可用之於滑軌1B之表面，節省大量成本。
於本發明中所使用的流體11可使用任何可改變型態及承載壓力之流體，例如油、水、空氣或其餘合適之流體皆可使用。
綜上，本發明係提供一新式軸承系統，其係液靜壓軸承系統(hydrostatic bearing system)之改良，具有精簡之架構、緊湊之體積以及低建置成本，用以減少目前液壓軸承系統中，供油機構及處理系統過於複雜之問題。並且，本發明之軸承系統不僅具精簡架構及緊湊之體積，更可於同一時間內調控壓力及負載力，且可提供精密之位移。再者，本發明更同時整合軸承系統及加壓裝置於一移動平台系統。藉此，可以精密之微米尺度調整平台於滑軌上移動之多自由度下之位移及方向。藉此，可補償負載變異及維持定位精密度。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧滑軌
11‧‧‧流體
19‧‧‧間隙
2‧‧‧軸承本體
20‧‧‧平台
3‧‧‧液壓腔
4‧‧‧軸承封件
7‧‧‧加壓裝置
71‧‧‧微通道
8‧‧‧壓力調節裝置

Claims (10)

  1. 一種軸承系統，其係具有改變負載力功能及可於一滑軌上進行精密運動，該軸承系統包含：一軸承本體，該軸承本體包含一液壓腔，該液壓腔之一開口面對該滑軌之表面；一流體填充於該液壓腔，該流體於該開口處接觸該滑軌之表面；一軸承封件，其與該滑軌之表面接觸，且將該軸承本體與該滑軌之表面間的間隙密封，以使該流體侷限於該液壓腔內，並使該流體自該液壓腔洩漏之洩漏量限制於一預設之最小程度；以及一加壓裝置，該加壓裝置透過一微通道對該流體加壓，該流體承載該軸承系統之大部份負載。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之軸承系統，進一步包含一壓力調節裝置，該壓力調節裝置將該流體所受之壓力維持於一預設範圍，以維持該軸承系統之負載於一定範圍。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之軸承系統，其中該加壓裝置包含具細小直徑之一活塞機構，該活塞機構並由一電力致動器驅動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之軸承系統，其中該加壓裝置包含一膜片彈簧以及一推桿機構，該推桿機構 並由一電力致動器驅動。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之軸承系統，其中該軸承封件包含一耦合機構，該耦合機構與該軸承本體連結，令該軸承封件與該軸承本體間形成相對位移。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之軸承系統，其中：該軸承本體包含複數液壓腔，各該液壓腔之一開口面對該滑軌之表面；各該液壓腔分別填充一流體，各該流體並於該開口處接觸該滑軌之表面；複數軸承封件，各該軸承封件與該滑軌之表面接觸，且將該軸承本體與該滑軌之表面間的間隙密封，以使該流體侷限於各該液壓腔內，並使該流體自該液壓腔洩漏之洩漏量限制於一預設之最小程度；以及複數加壓裝置，各該加壓裝置透過各自對應之一微通道對各該流體加壓，各該流體承載該軸承系統之大部份負載。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之軸承系統，其中各該液壓腔包含一高壓區域及一低壓區域，該軸承系統另包含一幫浦系統，該幫浦系統用以將各該流體由該低壓區域循環回流至該高壓區域。
  8. 一種移動平台系統，其係具有改變負載力功 能及精密運動，該移動平台系統包含一滑軌及一平台，該平台包含多個於該滑軌上滑動之軸承系統，各該軸承系統包含：一軸承本體，該軸承本體包含一液壓腔，該液壓腔之一開口面對該滑軌之表面；一流體填充於該液壓腔，該流體於該開口處接觸該滑軌之表面；一軸承封件，其與該滑軌之表面接觸，且將該軸承本體與該滑軌之表面間的間隙密封，以使該流體侷限於各該液壓腔內，並使該流體自該液壓腔洩漏之洩漏量限制於一預設之最小程度；以及一加壓裝置，該加壓裝置透過一微通道對該流體加壓，該流體承載該軸承系統所之大部份負載。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之移動平台系統，其中該滑軌使用一拋光石英磚或一上釉石英磚。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之移動平台系統，另包含一驅動控制系統，該驅動控制系統控制及驅動各該軸承系統之各該加壓裝置，以便微調該平台於多自由度下之位移及方向。
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